脈寬調制(PWM)電機驅動(dòng)器電源分析

　　1 概述

　　三相交流電機工作可靠、高效、費效比高，需要少量維修或根本不需要維修，一直是工業(yè)領(lǐng)域的主力。此外，交流電機(如感應電機和磁阻電機)無(wú)需與轉子的電氣連接，因此很容易實(shí)現阻燃，適用于礦山等危險環(huán)境等應用場(chǎng)合。

　　采用脈寬調制(PWM)的三相電機驅動(dòng)電路工作原理框圖如圖1所示，為電機提供三相供電電源，電壓和頻率可以變化。PWM交流電機驅動(dòng)器可以高效提供從零速到全速的全轉矩，并且通過(guò)改變驅動(dòng)電源的供電相位相序，可以很容易實(shí)現電機雙向運轉。

　　2 脈寬調制電機驅動(dòng)器原理

　　三相交流輸入供電電源經(jīng)過(guò)整流和濾波后，產(chǎn)生直流總線(xiàn)，為驅動(dòng)器的逆變器部分提供電源。逆變器由3 對半導體開(kāi)關(guān)(MOSFET、GTO、功率晶體管、IGBT 等)及相關(guān)二極管組成。每對開(kāi)關(guān)為電機的一個(gè)相位提供功率輸出。

　　為了驅動(dòng)電機，控制電路生成三個(gè)相位互差120°的低頻正弦波，分別對每對開(kāi)關(guān)的載波脈沖進(jìn)行調制。在每個(gè)載波周期內，正脈沖和負脈沖的寬度是按照該相位低頻正弦波的幅度進(jìn)行調制的，如圖2所示。

　　雖然向電機繞組施加的脈寬調制電壓波形包含所需頻率的分量，但其中也包含許多頻率更高的其他分量。

　　但是，電機在很大程度上可以看作逆變器輸出電壓的電感負載。由于電感對較高頻率具有更高的阻抗，因此電機吸收的大部分電流在脈寬調制輸出波形中是如圖3所示的較低頻率分量。結果是，電機吸收的電流近似為正弦波。

　　由于電機負載生成的反電動(dòng)勢在基頻是正弦電壓，因此它在諧波和更高頻率不提供反向電流。由于這個(gè)原因，同電機是純電感情況下的基波電流相比，這些電流幅值更高。

　　重要的是，載波電流設計要在繞組中盡可能生成正弦波電流。特別是，必須最大限度地減少生成的低階諧波電壓電平，因為電機對這些電壓的阻抗非常低。實(shí)用中，驅動(dòng)器將在電機中生成：

　　a) 基頻處“有用”的電流分量。

　　b) 在基頻數倍頻率處“無(wú)用的”電流分量(諧波)，以及在載頻相關(guān)頻率處的電流分量。

　　在電機電流中“無(wú)用”電流分量對電機的影響有兩個(gè)，它們是：

　　1. 非基波電流分量代表電機定子和轉子繞組中的額外電流，將產(chǎn)生熱量，降低電機工作效率。

　　2. “無(wú)用的”電流分量將在定子中生成磁場(chǎng)，可能包含負相或零相序列，形成負轉矩或制動(dòng)轉矩。這可能大幅降低電機可用功率數量。

　　通過(guò)測量逆變器中基波輸出功率和總輸出功率、對電壓和電流波形進(jìn)行諧波分析以及對電機轉矩/ 速度進(jìn)行測量，可以分析電機運行期間無(wú)用電流分量的影響。

　　提供給電機的唯一有用功率是在基頻驅動(dòng)電壓和電流。與諧波或載波頻率有關(guān)的任何功率都不會(huì )有助于電機的有用功。最高效的脈寬調制驅動(dòng)器不僅使逆變器損耗最小化，而且生成最純的正弦電流驅動(dòng)波形，把電機本身的功率和轉矩損耗降到最低。

　　3 對脈寬調制電機驅動(dòng)器的測量

　　通過(guò)在電機輸出軸安裝轉速和轉矩傳感器，可以對電機輸出進(jìn)行測量，采用泰克PA4000功率分析測試儀的測量工作原理框圖如圖4所示。

　　(1)驅動(dòng)器輸出測量

　　脈寬調制驅動(dòng)器的輸出波形非常復雜，由一系列高頻分量( 因載波) 和低頻分量( 因基波) 組合而成。對大多數功率分析儀來(lái)說(shuō)帶來(lái)的問(wèn)題是：如果在高頻測量，那么波形中的低頻信息將丟失;如果濾除脈寬調制波形在低頻測量，那么高頻數據將丟失。

　　這個(gè)問(wèn)題的出現是因為低頻對波形進(jìn)行調制。因此，高頻測量( 如總電壓有效值、總功率等) 必須在高頻處進(jìn)行，必須超出輸出波形低頻分量的整數倍。

　　泰克PA4000 功率分析儀利用脈寬調制輸出測量的特殊工作模式克服了這個(gè)難題。它對數據進(jìn)行高速采樣，并實(shí)時(shí)計算總體數量，包括所有諧波和載波分量。同時(shí)，對采樣數據進(jìn)行數字化濾波，提供低頻測量。

　　除了從同一測量中獲得低頻和高頻信號結構外，該技術(shù)允許高頻測量與低頻信號同步，這是提供精確和穩定的高頻測量結果的唯一方法。但是，為了優(yōu)化低頻測量結果，應當選用正確的濾波器。

　　(2)測量電路連接

　　對電機驅動(dòng)器進(jìn)行電壓測量電路連接通常比較簡(jiǎn)單，進(jìn)行電機工作電流測量的測試電路連接則更具挑戰性。進(jìn)行電流測量連接主要有兩種方式。第一種方式是“分割”導體，并使電流通過(guò)電流分流器，然后測量電流分流器兩端電壓降。雖然這種方式在低功率情況下可行，但當電流較高時(shí)行不通。

　　對大電流測量，可以使用電流傳感器，使用電流傳感器的原因主要以下有3 個(gè)：

　　1)正在測量的信號可能與測量設備不兼容。例如，大部分測試臺儀器無(wú)法測量超過(guò)100 A 的電流，而這么大的電流是大型電機和驅動(dòng)器中常見(jiàn)的。

　　2)消除測量?jì)x器與測量信號的耦合。在脈寬調制驅動(dòng)器中，快速開(kāi)關(guān)電壓(dV/dt) 往往造成正在測量的輸出信號具有很大的共模分量。

　　大的共模電壓會(huì )給電流測量結果帶來(lái)不確定性。使用電流傳感器隔離分析儀的電流輸入和電壓波動(dòng)，從而消除因共模引起的測試結果不確定性。

　　3)為了便利和安全。在電機系統中往往存在高壓，而且電源阻抗往往極低。如果連接不正確，可能會(huì )造成大量能量流動(dòng)。

　　4 選擇正確的電流傳感器

　　電流傳感器有許多種，在電機測量中使用的4 種最常見(jiàn)電流傳感器是：

　　(1)電流鉗;

　　(2)閉環(huán)霍爾效應;

　　(3)IT 型閉環(huán);

　　(4)電流互感器。

　　為了在電機驅動(dòng)器的典型信號帶寬內實(shí)現最佳性能，應使用閉環(huán)傳感器。在驅動(dòng)器輸入中可以使用電流互感器和電流鉗，但在驅動(dòng)器輸出中效果則不好。這是因為電流互感器在低頻( 低驅動(dòng)速度) 性能不佳，而且將限制測量與開(kāi)關(guān)有關(guān)高頻頻率的能力。

　　在選擇傳感器時(shí)，重要的是考慮所需測量的信號和測量設備。選擇與需要測量的最大信號( 包括峰值) 相對應的最大輸入范圍傳感器。這將充分發(fā)揮傳感器范圍的效用。

　　在不引起過(guò)沖的前提下，希望傳感器輸出信號盡可能大。輸入信號越大，信噪比越高，測量結果越好。

　　5 使用電流傳感器

　　對閉環(huán)霍爾效應電流傳感器，應當謹慎進(jìn)行連接，需為傳感器提供電源。電源通常包括正電源和負電源，而且必須提供足夠電流，這個(gè)電流通常為10mA ～ 50mA。傳感器應當盡可能靠近測量?jì)x器，以降低次級引線(xiàn)的電壓和磁場(chǎng)耦合。

　　傳感器輸出是單一電流輸出，信號和電源公用回路。該輸出應當直接與測量設備電流輸入的高端連接。測量設備電流輸入的低端應當連接至與傳感器電源相同的回路。而且，所有引線(xiàn)應當盡可能短。輸出應當靠近電源連接。從理想角度而言3條線(xiàn)應當絞合在一起。在脈寬調制驅動(dòng)器環(huán)境中，接地和屏蔽有利于提高測試精度。

　　屏蔽電纜將改進(jìn)測試效果。屏蔽接地，并與傳感器電源公共端相連。并且，在相應的地方，它將與傳感器接地相連。屏蔽可以保護電源連接與信號。

　　為獲得精確的測量結果，需要為儀器配置兩個(gè)參數：

　　(1)分流器選擇，這是在每組基礎上設置的;

　　(2)電流輸入比例因子，這是在每通道基礎上設置的。

　　6 結束語(yǔ)

　　目前，脈寬調制電機驅動(dòng)器廣泛用于工業(yè)領(lǐng)域，而且也在電動(dòng)汽車(chē)和家用空調機等諸多領(lǐng)域得到廣泛應用。泰克PA4000 功率分析儀利用業(yè)界首創(chuàng )的螺旋分流(Spiral ShuntTM) 技術(shù)以及動(dòng)態(tài)頻率同步技術(shù)可以實(shí)現可靠測量電機驅動(dòng)有關(guān)參數，實(shí)現對驅動(dòng)器基頻的穩定跟蹤。該技術(shù)對數據進(jìn)行高速采樣，對其總體測試參數( 包括所有諧波和載波分量) 進(jìn)行實(shí)時(shí)計算。同時(shí)，它對采樣數據進(jìn)行數字化濾波，提供低頻測量，如基頻測量和輸出頻率測量，使PA4000 成為脈寬調制驅動(dòng)器測量的理想解決方案。

　　參考文獻：

　　[1]http://cn.tek.com/power-analyzer/pa4000